CN117498807A - 一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器 - Google Patents
一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117498807A CN117498807A CN202311609162.0A CN202311609162A CN117498807A CN 117498807 A CN117498807 A CN 117498807A CN 202311609162 A CN202311609162 A CN 202311609162A CN 117498807 A CN117498807 A CN 117498807A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- signals
- radio frequency
- degree
- resistor
- output end
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 108
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 70
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 22
- 238000013461 design Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 41
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 30
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 20
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 20
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 11
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 6
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
- H03D7/00—Transference of modulation from one carrier to another, e.g. frequency-changing
- H03D7/16—Multiple-frequency-changing
- H03D7/165—Multiple-frequency-changing at least two frequency changers being located in different paths, e.g. in two paths with carriers in quadrature
- H03D7/166—Multiple-frequency-changing at least two frequency changers being located in different paths, e.g. in two paths with carriers in quadrature using two or more quadrature frequency translation stages
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03D—DEMODULATION OR TRANSFERENCE OF MODULATION FROM ONE CARRIER TO ANOTHER
- H03D7/00—Transference of modulation from one carrier to another, e.g. frequency-changing
- H03D7/14—Balanced arrangements
- H03D7/1425—Balanced arrangements with transistors
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/42—Amplifiers with two or more amplifying elements having their dc paths in series with the load, the control electrode of each element being excited by at least part of the input signal, e.g. so-called totem-pole amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H7/00—Multiple-port networks comprising only passive electrical elements as network components
- H03H7/42—Networks for transforming balanced signals into unbalanced signals and vice versa, e.g. baluns
- H03H7/422—Networks for transforming balanced signals into unbalanced signals and vice versa, e.g. baluns comprising distributed impedance elements together with lumped impedance elements
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Transmitters (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，涉及无线通信集成电路领域，包括90°耦合器、180°多功能混合结、电阻型无源混频单元、中频放大器、输出缓冲器和基级偏置电路，通过上述电路结构，最终实现谐波IQ正交下混频功能。本发明中设计的180°多功能混合结具有优异的端口匹配和隔离特性，同时具有较低的传输损耗和较宽的带宽，辅以尺寸缩小技术，使得本发明提供的谐波IQ正交下混频器具有设计简单、信号间隔离度高、端口驻波优异、尺寸小、工作带宽大等特点。
Description
技术领域
本发明属于射频/毫米波/太赫兹无线通信集成电路技术领域，旨在对传统谐波正交混频器电路结构进行改进，特别是一种高性能小型化单片集成的谐波IQ正交下混频器。
背景技术
混频器是射频、毫米波、太赫兹无线通信系统收发前端集成电路中的关键部件。发射机前端将要发射的低频信号转换成高频信号，接收机前端将接受到的高频信号转换成低频信号，频率转换功能就是由混频器实现的。相较于基波混频，谐波混频可以降低本振信号频率至所需频率的1/2、1/4等，从而大大降低本振电路设计难度；同时，谐波混频具有更高的本振/射频信号隔离度、更少的谐波产物等优点。
考虑到混频器后期的应用场景、镜像信号抑制以及信息容量等因素，常将IQ镜像抑制体制引入设计。图1为传统IQ谐波混频器的原理框图，其中本振信号经功分器14一分为二，之后经单巴伦15进行单端到差分信号的转换并通过匹配结构16加载到晶体管的栅极；射频信号经朗格90°耦合器5实现IQ正交信号产生，之后经过电路匹配结构12后由功分器13一分为二加载在晶体管漏极；中频信号经低通滤波器后进行中频放大输出。该结构的优势为本振信号与高频信号的隔离度较高，因为加载到I路或Q路两个晶体管上的本振信号为0/180度差分信号，泄露到漏极的两基波信号相位相反、相互抵消。同时该结构存在以下需改进提升点：随着频率的提升，过多的无源器件的引入会产生较大的能量耗散，致使变频损耗增大，同时造成芯片面积较大，电路带宽减小；该电路结构需额外的片外隔直电容，电容的引入会缩窄中频输出信号的频率范围，减少混频器后期的应用场景。此外，还有另外一种方法将巴伦和功分器集成到单一无源结构用于谐波混频器电路，但该结构不适于IQ正交混频设计，且没有将直流馈电网络17进一步集成，电路面积仍较大。
如上所述，虽然谐波混频器具有一定的优点，但是现有技术存在主要包括面积大、带宽小、隔离差、驻波差、效率低等方面的缺陷，因而需要进一步改进。
发明内容
本发明针对传统谐波正交混频器电路存在的面积大、无源器件过多、变频效率低、设计难度高等问题，提出了一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，以提升混频器的各项性能。
本发明的技术方案如下：
一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，包括：
90°耦合器，用于加载射频输入信号，实现单端射频输入信号到IQ正交射频信号的产生，并实现单端射频信号输入匹配及正交射频信号间的隔离特性；
180°多功能混合结，用于加载本振输入信号、IQ正交射频信号、直流偏置信号，实现单端本振信号到两对差分信号的产生、实现射频正交信号功率分配以产生两对IQ正交射频信号、实现直流偏置信号的分配，并实现所述180°多功能混合结的信号输入端的匹配和隔离特性，同时辅以尺寸缩小技术：补偿电容技术和冗余线技术，实现180°多功能混合结的小型化设计；
电阻型无源混频单元，用于将IQ正交两条路径上的本振信号和射频信号进行混频得到中频信号；
中频放大器，用于将IQ正交两条路径上产生的中频信号进行放大；
输出缓冲器，用于输出IQ正交两条路径上混频产生的中频信号，并实现输出匹配；
基级偏置电路，用于产生混频单元所需的偏置电压，并实现直流与高频(本振、射频)信号间的隔离特性。
上述谐波正交混频器中，所述90°耦合器的结构是根据具体指标需求进行设计成的基于耦合线设计的90°耦合器、基于电容电感电阻设计的集总90°耦合器或者基于传输线设计的分布式90°耦合器。
上述谐波正交混频器中，所述180°多功能混合结可以工作在两个不同频段，通过设计可使180°多功能混合结的工作频段涵盖射频信号频率和本振信号频率。
上述谐波正交混频器中，所述180°多功能混合结的结构有多种，例如，基于耦合线设计的180°多功能混合结、基于电容/电感/电阻设计的集总180°多功能混合结或者基于传输线设计的分布式180°多功能混合结等，可根据具体指标需求进行设计。
进一步的，所述180°多功能混合结可采用弯折线耦合线或传输线的紧凑结构对180°多功能混合结的面积进行进一步缩减。
上述谐波正交混频器中，所述180°多功能混合结的补偿电容小型化技术实现结构具体为单个电容、多个电容并联或基于传输线的分布式电容结构。
上述谐波正交混频器中，所述180°多功能混合结的冗余线小型化技术实现结构具体为单个传输线、基于电容电感电阻设计的集总冗余结构或基于枝节线的冗余结构。
上述谐波正交混频器中，所述180°多功能混合结的直流偏置信号分配结构具体为零欧姆传输线、基于电容的电容阵列或基于传输线的分布式电容结构。
上述谐波正交混频器中，所述电阻型无源混频单元为由两个晶体管构成的单平衡式混频单元；通过所述180°多功能混合结，将本振信号、射频信号和直流偏置信号直接加载在电阻型无源混频单元中的两个晶体管的基级，通过晶体管的非线性进行混频；所述电阻型无源混频单元中两个晶体管的发射级接地，提供直流及射频到地回路；所述电阻型无源混频单元中两个晶体管的集电极连接在一起，产生中频信号，该集电极同时作为本振信号的虚地点对本振信号进行滤波。
上述谐波正交混频器中，所述中频放大器为由电阻反馈型放大器的多级级联；该中频放大器直接与所述电阻型无源混频单元的中频输出端相连，同时对电阻型无源混频单元中晶体管的集电极进行直流偏置；中频放大器为根据具体指标需求进行设计成的基于BJT晶体管的电阻反馈型放大器或基于MOS晶体管的反向器的放大器。
上述谐波正交混频器中，所述输出缓冲器为由晶体管和电阻构成的射级跟随器；输出缓冲级直接与上述中频放大器的输出端相连，对它们的集电极一同进行电压偏置；所述输出缓冲器为根据具体指标需求进行设计成的基于BJT晶体管的射级跟随器或基于MOS晶体管的源级跟随器。
上述谐波正交混频器中，所述基级偏置电路根据具体指标需求进行设计成基于电阻分压的偏置结构、基于电流镜的偏置结构或基于电阻分压和电流镜的复合偏置结构。
所述谐波正交下混频器可以为二次谐波混频器、三次谐波混频器、四次谐波混频器或更高次谐波混频器中的一种。
所述谐波正交下混频器的实现形式可以基于硅基、锗硅或三五族化合物半导体材料体系实现，其集成形式可以是集成电路形式，也可以是混合集成形式。
本发明的有益效果如下：
1、本发明通过设计180°多功能混合结的工作频率可适用于各次谐波混频电路，使得整个谐波正交下混频器不仅限于二次、三次谐波混频电路，也适用于高次谐波混频；
2、本发明中180°多功能混合结的结构具有多样性，可以包括基于耦合线的180°多功能混合结、基于集总元件的180°多功能混合结或基于分布式元件的180°多功能混合结等，因而设计自由度更高；
3、本发明中180°多功能混合结将本振双巴伦结构、射频功分器结构、直流偏置分配结构集成在一起，用单一无源结构取代传统电路中的多无源器件级联结构，降低设计难度、减小信号传输损耗、缩减电路尺寸；
4、本发明中的180°多功能混合结本振信号、射频信号和直流偏置信号输入端口间具有天然的高隔离特性和优良的射频端口匹配特性；
5、本发明中的180°多功能混合结中本振信号与射频信号传输损耗小，使得谐波混频器对本振功率的需求大大降低；
6、本发明中的180°多功能混合结设计中可对传输线进行复用，并辅以尺寸缩小技术，使得面积进一步降低；
7、本发明中的无源混频单元与180°多功能混合结输出端直接相连，中频放大单元与电阻型无源混频单元中频输出端直接相连，中频输出缓冲级与中频放大单元输出端直接相连，消除了片上、片外隔直电容的使用，拓展了中频带宽及混频器的使用场景范围；
8、本发明中的直流偏置电路为电阻分压与电流镜相结合的复合型偏置电路，提升了直流信号与射频信号间的隔离度，同时将电阻型无源混频单元所需的偏置电压抬升到标准供电电压，使得该谐波正交混频器更易于使用；
9、由上述2、3、4、5、6、7、8的设计可知本发明具有设计简单、混频效率高、电路工作带宽大、尺寸小、信号间隔离度高、端口驻波优异等特点；10、本发明集成形式很灵活，很容易实现。
附图说明
图1为现有技术中传统谐波IQ正交混频器电路结构的示意图；
图2为本发明提供的谐波正交下混频器的电路结构示意图；
图3为本发明实施例中的90°耦合器示意图；
图4为本发明实施例中的新型180°多功能混合结示意图；
图5为本发明实施例中的新型180°多功能混合结利用补偿电容实现尺寸缩小的原理示意图；
图6为本发明实施例中的新型180°多功能混合结中直流偏置结构示意图；
图7为本发明实施例中的180°多功能混合结仿真结果示意图；
图8为本发明实施例中的中频放大器电路结构示意图；
图9为本发明实施例中的基级偏置电压产生电路结构示意图；
图10为本发明实施例中的谐波正交下混频器仿真结果示意图。
图中附图标注为：
1为射频输入端，2为本振输入端，3为中频输出端I，4为中频输出端Q，5为90°耦合器，6为180°多功能混合结，7为电阻型无源混频单元，8为中频放大器，9为输出缓冲器，10为基级偏置电路，11为直流电源输入端，12为射频匹配电路，13为射频功分电路，14为本振功分电路，15为本振单巴伦电路，16为本振匹配电路，17为电压偏置滤波电路；
5’1为实施例中传输线T1，5’2为实施例中传输线T2，5’3为实施例中传输线T3，5’4为实施例中传输线T4，5’5为实施例中传输线T5，5’6为实施例中射频输出端I，5’7为实施例中射频输出端Q，5’8为实施例中第一端口电阻；
6’1为实施例中传输线S1，6’2为实施例中传输线S2，6’3为实施例中传输线S3，6’4为实施例中传输线S4，6’5为实施例中传输线S5，6’6为实施例中传输线S6，6’7为实施例中传输线S7，6’8为实施例中传输线S8，6’9为实施例中传输线S9，6’10为实施例中传输线S10，6’11为实施例中传输线S11，6’12为实施例中传输线S12，6’13为实施例中传输线S13，6’14为实施例中传输线S14，6’15为实施例中传输线S15，6’16为实施例中传输线S16，6’17为实施例中传输线S17，6’18为实施例中尺寸缩小技术第一补偿电容，6’19为实施例中尺寸缩小技术第二补偿电容，6’20为实施例中直流偏置分配电路零欧姆传输线ZTL，6’21为实施例第一直流偏置电阻；
8’1为实施例中反馈电阻，8’2为实施例中第一集电极供电电阻，8’3为实施例中中频放大器输入端，8’4为实施例中中频放大器输出端；
10’1为实施例中分压电阻一，10’2为实施例中分压电阻二，10’3为实施例中第二集电极供电电阻，10’4为实施例中基级电阻，10’5为实施例中基级电压输出端。
具体实施方式
本发明通过对单片集成谐波IQ正交混频电路的深入研究和分析，提出了一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器。以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
如图2所示，本发明提出的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，可实现下混频功能，且工作频段可以涵盖射频/毫米波/太赫兹频段，适用性广；该谐波混频器具体包括：
90°耦合器5，用于加载位于输入端1处的射频输入信号，将单端射频输入信号转为IQ正交两路信号，并实现输入匹配及正交信号间的隔离；90°耦合器的实现方式有很多种，这里以基于耦合线的90°朗格耦合器为例进行说明，如图3所示。该90°朗格耦合器由传输线一5’1，传输线二5’2，传输线三5’3，传输线四5’4，传输线五5’5，和一个电阻5’8(电阻R＝50Ω)构成。传输线5’1、5’3和5’5通过过孔和金属互连线连接在一起，传输线5’2和5’4连接在一起，上述传输线共同构成多线耦合结构，50Ω电阻5’8的一端接在传输线5’2的一端，50Ω电阻的另一端接地，最终实现90°朗格耦合器，产生的IQ正交射频信号分别位于端口5’6和5’7。
180°多功能混合结6，用于加载90°耦合器产生的IQ正交射频信号、位于输入端2的本振输入信号和由电压偏置电路10产生的基级电压信号，该多功能混合结将IQ正交信号进一步功率均分产生两对正交信号，即输出四个射频信号，将本振输入信号转化为两对差分信号，即输出四个本振信号，将电压偏置信号分配于上述相同的四个输出端口，用于后续混频单元电路，并实现射频端口匹配、隔离；180°多功能混合结的实现方式有很多种，这里以基于耦合线的180°多功能混合结为例进行说明，如图4所示。利用传输线6’1、6’2、6’3、6’4、6’5、6’6和6’7可构成本振信号的双巴伦结构，即传输线6’1和6’2、传输线6’1和6’3、传输线6’4和6’5、传输线6’4和6’6分别构成四个耦合线结构，通过传输线6’7将上述四个耦合线结构背靠背相连，实现位于端口2处的单端本振输入信号到两对差分本振信号的产生，即产生位于传输线6’8输出端的LO_0°信号、位于传输线6’10输出端的LO_180°信号、位于传输线6’9输出端的LO_0°信号和位于传输线6’11输出端的LO_180°信号。传输线6’2、6’3、6’5和6’6的理论长度为本振信号波长的四分之一，即λ/4@fLO，fLO为本振信号的频率，通过尺寸缩小技术中的冗余线结构6’7可在不影响电路性能的前提下缩短上述传输线的尺寸，此外，通过尺寸缩小技术中的补偿电容6’18可进一步缩短上述传输线的尺寸。传输线6’12、6’14和6’15以及传输线6’13、6’16和6’17分别构成射频IQ正交信号的T型结功分器结构，6’12、6’13分别与上述90°耦合器的5’6和5’7相连。复用本振双巴伦结构中的传输线，传输线6’2和6’14、传输线6’5和6’15、传输线6’和6’16、传输线6’6和6’17分别构成了射频耦合线结构，四个耦合线结构可将射频T型结功分器产生的两对正交信号耦合到多功能混合结的四个输出端，及产生位于传输线6’8输出端的RF_0°信号、位于传输线6’10输出端的RF_0°信号、位于传输线6’9输出端的RF_90°信号和位于传输线6’11输出端的RF_90°信号。传输线6’14、6’15、6’16和6’17的理论长度为射频信号的四分之一波长，即λ/4@fRF，fRF为射频信号的频率，在二次谐波混频条件下，为本振信号四分之波长的一半，即1/2λ/4@fLO，通过尺寸缩小技术中的补偿电容6’19可在不影响电路性能的前提下缩短上述传输线的尺寸。多功能混合结补偿电容尺寸缩小原理如图5所示，阻抗为ZA、长度为λ/4的传输线可以利用两个电容C1转换为阻抗为Z1、长度为θ1的传输线，同时可以利用电容C2继续转换为两根阻抗为Z2、长度为θ2的传输线，其中ZA、Z1、Z2为传输线的特征阻抗，θ1、θ2为传输线的电长度，C1、C2为补偿电容，各个参数的公式为：
上述补偿电容的实现方式有很多种，这里以金属-氧化物-金属MOM电容为例进行说明，如图6中右侧的MOM电容剖面示意图所示，利用半导体工艺中存在的多层金属结构，构建交叉的平板电容，实现上述补偿电容结构。基级偏置结构6’20和供电电阻6’21(R＝2000Ω)共同实现了基级偏置电压的分配和射频滤波功能，即将直流电压信号分配在多功能混合结的四个输出端口。基级偏置结构6’20的实现方式有很多种，这里以零欧姆传输线ZTL为例进行说明，如图6所示。同样利用半导体工艺中存在的多层金属结构，构建交叉的平板电容MOM，并将金属-介质-金属MIM电容进行并联融合，提升电容值的大小，更好的实现射频信号与直流信号间的隔离特性。将ZTL的外层金属接地，可使内部的电容被接地金属包裹起来，从而隔离了外部器件的干扰。供电电阻6’21(R＝2000Ω)与ZTL中内部金属线相连接，用于直流电压的偏置，并联合ZTL中的电容实现RC滤波功能，对泄露过来的射频信号进行衰减。基于零欧姆传输线ZTL的基级偏置结构6’20和供电电阻6’21连接至本振双巴伦的四个传输线(6’2、6’3、6’5、6’6)的尾端，最终将基级偏置电压分配在多功能混合结的四个输出端口上，即传输线6’8、6’9、6’10、6’11的输出端。综上，该180°多功能混合结实现了本振信号、射频信号、直流偏置信号的加载，并将上述信号同时输出在四个输出端口，用于后级混频单元电路的输入。
以本振信号中心频率142.5GHz，射频信号中心频率285GHz为例，如图7仿真结果所示，实施例中的180°多功能混合结能够很好的满足需求，即在两个工作频率内具有较小的信号插入损耗、优异的端口匹配特性(＜-10dB)以及良好的信号隔离度(＜-30dB)。
电阻型无源混频单元7是由两个晶体管构成的单平衡式混频单元，两个该混频单元分别位于180°多功能混合结的两侧，即IQ正交两个通道上。将多功能混合结输出的本振信号、射频信号和直流偏置信号直接加载在两个晶体管的基级，通过晶体管的非线性进行混频；混频单元中两个晶体管的发射级接地，提供直流及射频到地回路；两个晶体管的集电极连接在一起，作为中频输出端产生中频信号，该中频输出端同时作为本振信号的虚地点对本振信号进行滤波。
参见图8所示，中频放大器8由电阻反馈型放大器的多级级联实现，实现中频信号的放大。反馈电阻8’1位于晶体管基级和集电极之间，集电极通过供电电阻8’2与电源电压直接相连，晶体管发射级接地提供直流和射频到地回路，反馈电阻的两端即分别对应信号输入输出端8’3和8’4。该中频放大器直接与上述电阻型无源混频单元7的中频输出端相连，同时对混频单元中晶体管的集电极进行直流偏置。
参见图2所示，输出缓冲器9是由晶体管和电阻构成的射级跟随器，实现中频信号的匹配输出。晶体管集电极直接与直流电源相接进行偏置，基级直接与上述中频放大器8的输出端相连，发射极与一个电阻相连到地，发射极同时作为中频信号的输出端。该输出缓冲器不仅实现了中频信号的匹配输出，同时实现直流-耦合输出，即不需额外的隔直电容，拓展了中频信号带宽。
参见图9所示，基级偏置电压产生电路10根据具体指标需求进行设计成基于电阻分压和电流镜的复合偏置结构，将基级电压抬升至标准供电电压，方便使用，如图9所示。电阻一10’1和电阻二10’2构成电阻分压网络，集电极电阻10’3、基级电阻10’4和晶体管构成电流镜结构，分压网络和电流镜结构连接在一起构成上述复合偏置结构，最终的基级偏置电压位于10’5端口处。该电压与180°多功能混合结中的电阻6’21相连接。
基于上述180°多功能混合结，可构建一种新型的谐波混频器。本振信号、射频信号和基级偏置信号通过上述180°多功能混合结6的输入端到达输出端，直接加载到位于IQ正交两个通道上的混频单元7晶体管的基级上，利用晶体管的非线性进行混频可得到中频信号，中频信号通过中频放大器8直接放大，后经输出缓冲器9输出，产生IQ两路正交中频信号。因为180°多功能混合结本身优异的特性，辅以尺寸缩小技术，本发明阐述的新型谐波正交混频器具有优异的性能表现。
如图10仿真结果所示，本发明提出的谐波正交混频器具有下述优点：
(1)适用于射频/毫米波/太赫兹各频段，应用范围广；
(2)混频效率高，基于180°多功能混合结对本振/射频信号进行加载，信号传输损耗小，本振信号利用率高，谐波混频器的混频效率高，如图10，本发明实施例中本振功率需求为-3dBm，变频增益CL为3.5dB。同传统结构相比本发明变频增益属于同等水平，但本发明对本振信号功率需求较低。
(3)隔离度高，源于180°多功能混合结端口间良好的隔离特性，本发明谐波混频器本振/射频信号间隔离度(LO/RF)大于30dB。
(4)端口驻波特性好，源于180°多功能混合结优异的端口匹配特性，本发明谐波混频器本振信号端口回波损耗(RL_LO)优于-10dB，射频信号端口回波损耗(RL_RF)优于-10dB。
(5)面积小，本发明谐波正交混频器中不需要额外的匹配、隔离电路，且本振/射频信号同时通过一个180°多功能混合结加载，同时180°多功能混合结结构灵活多变，可大大减小谐波正交混频器的面积。
(6)带宽大，本发明谐波正交混频器中不需要额外的隔离电容，中频信号直接直流-耦合输出，中频带宽大，适用于零中频、低中频等各个应用场景。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (13)
1.一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于，包括：
90°耦合器，由五根传输线T1(5’1)、T2(5’2)、T3(5’3)、T4(5’4)、T5(5’5)及一个第一端口电阻(5’8)构成四端口的多线耦合结构，所述多线耦合结构中的射频输入端(1)用于加载射频输入信号，所述多线耦合结构实现单端的所述射频输入信号到IQ正交射频信号的产生，所述IQ正交射频信号位于所述90°耦合器的射频输出端I(5’6)和射频输出端Q(5’7)处，第一端口电阻(5’8)跨接在四端口耦合器的端口四和地之间；所述90°耦合器同时实现单端射频信号输入匹配及IQ正交射频信号间的隔离特性；
180°多功能混合结，由基于耦合线结构的本振双巴伦、基于T型结和耦合线的射频功分器、基于零欧姆传输线的直流馈电网络构成；其中所述本振双巴伦由七根传输线S1(6’1)、S2(6’2)、S3(6’3)、S4(6’4)、S5(6’5)、S6(6’6)、S7(6’7)构成，其中，传输线S1(6’1)和传输线S2(6’2)、传输线S1(6’1)和传输线S3(6’3)、传输线S4(6’4)和传输线S5(6’5)、传输线S4(6’4)和传输线S6(6’6)分别构成四个耦合线结构，通过冗余线传输线S7(6’7)将上述四个耦合线结构背靠背相连，实现位于本振输入端(2)处的单端本振输入信号到两对差分本振信号的产生，即产生位于传输线S8(6’8)输出端的LO_0°信号、位于传输线S10(6’10)输出端的LO_180°信号、位于传输线S9(6’9)输出端的LO_0°信号和位于传输线S11(6’11)输出端的LO_180°信号；位于IQ正交两通道上的两个射频功分器分别由传输线S12(6’12)、S14(6’14)和S15(6’15)以及传输线S13(6’13)、S16(6’16)和S17(6’17)构成，传输线S12(6’12)和S13(6’13)分别与所述90°耦合器的射频输出端I(5’6)和射频输出端Q(5’7)相连；复用所述本振双巴伦中的传输线，传输线S2(6’2)和S14(6’14)、传输线S5(6’5)和S15(6’15)、传输线S3(6’3)和S16(6’16)、传输线S6(6’6)和S17(6’17)分别构成了四个射频耦合线结构，四个所述射频耦合线结构将两个所述射频功分器产生的两对正交信号耦合到所述180°多功能混合结的四个输出端，即产生位于传输线S8(6’8)输出端的RF_0°信号、位于传输线S10(6’10)输出端的RF_0°信号、位于传输线S9(6’9)输出端的RF_90°信号和位于传输线S11(6’11)输出端的RF_90°信号；零欧姆传输线ZTL(6’20)和第一直流偏置电阻(6’21)连接至所述本振双巴伦的四个传输线S2(6’2)、S3(6’3)、S5(6’5)、S6(6’6)尾端，构成直流偏置分配电路，共同实现了基级偏置电压的分配和射频滤波功能，即将直流电压信号分配在所述180°多功能混合结的四个输出端口；即所述180°多功能混合结可用于本振输入信号、IQ正交射频输入信号和直流偏置信号的同时加载，实现单端本振信号到两对差分信号的产生、实现IQ正交射频信号功率分配产生两对IQ正交射频信号、实现直流偏置信号的分配，并实现所述180°多功能混合结的信号输入端的匹配和隔离特性，同时辅以尺寸缩小技术，实现所述180°多功能混合结的小型化设计；其中实现小型化的所述尺寸缩小技术包括第一补偿电容(6’18)、第二补偿电容(6’19)构成的补偿电容技术和冗余线传输线S7(6’7)技术；
电阻型无源混频单元，两个所述电阻型无源混频单元分别位于所述180°多功能混合结的两侧，即IQ正交两个通道上，用于将IQ正交两个通道上的本振信号和射频信号进行混频得到中频信号；
中频放大器，用于对所述电阻型无源混频单元进行直流偏置，实现中频信号的放大；
输出缓冲器，由晶体管和电阻构成的射级跟随器实现；其中的晶体管集电极直接与直流电源相接进行偏置，基级直接与所述中频放大器(8)的输出端相连，发射极与一个电阻相连到地，发射极同时作为中频信号的输出端用于输出IQ正交两个通道上混频产生的中频信号，实现输出匹配；
基级偏置电路，由电阻分压网络和电流镜结构连接在一起构成复合偏置结构；分压电阻一(10’1)和分压电阻二(10’2)构成所述电阻分压网络，第二集电极供电电阻(10’3)、基级电阻(10’4)和晶体管构成所述电流镜结构，最终的基级偏置电压位于基级电压输出端(10’5)处，所述基级偏置电路的输出端与所述180°多功能混合结中的第一直流偏置电阻(6’21)相连接；用于产生混频单元所需的偏置电压，并实现直流与本振、射频信号间的隔离特性。
2.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述90°耦合器的结构是根据具体指标需求进行设计成的基于耦合线设计的90°耦合器、基于电容电感电阻设计的集总90°耦合器或者基于传输线设计的分布式90°耦合器。
3.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述180°多功能混合结的工作频段涵盖射频信号频率和本振信号频率，并能实现直流偏置信号的分配。
4.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述180°多功能混合结的结构是根据具体指标需求进行设计成的基于耦合线设计的180°多功能混合结、基于电容电感电阻设计的集总180°多功能混合结或者基于传输线设计的分布式180°多功能混合结。
5.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述180°多功能混合结的补偿电容小型化技术的实现结构具体为单个电容、多个电容并联或基于传输线的分布式电容结构。
6.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述180°多功能混合结的冗余线小型化技术实现结构具体为单个传输线、基于电容电感电阻设计的集总冗余结构或基于枝节线的冗余结构。
7.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述180°多功能混合结的直流偏置信号分配结构具体为零欧姆传输线、基于电容的电容阵列或基于传输线的分布式电容结构。
8.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述电阻型无源混频单元为由两个晶体管构成的单平衡式混频器；将所述180°多功能混合结输出端的本振信号、射频信号和直流偏置信号直接加载在所述电阻型无源混频单元中的两个晶体管的基级，通过晶体管的非线性进行混频；所述电阻型无源混频单元中两个晶体管的发射级接地，提供直流及射频到地回路；所述电阻型无源混频单元中两个晶体管的集电极连接在一起，作为中频输出端产生中频信号，该中频输出端同时作为本振信号的虚地点对本振信号进行滤波。
9.根据权利要求8所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述中频放大器由电阻反馈型放大器的多级级联构成，所述电阻反馈型放大器中包括晶体管和反馈电阻；对于任一所述电阻反馈型放大器，其中的反馈电阻位于晶体管的基级和集电极之间，集电极通过第一集电极供电电阻与电源电压直接相连，晶体管发射级接地提供直流和射频到地回路，反馈电阻的两端即分别对应所述中频放大器的输入端(8’3)和所述中频放大器的输出端(8’4)；所述中频放大器直接与所述电阻型无源混频单元的中频输出端相连，同时对所述电阻型无源混频单元中晶体管的集电极进行电压偏置；所述中频放大器为根据具体指标需求进行设计成的基于BJT晶体管的电阻反馈型放大器或基于MOS晶体管的反向器的放大器。
10.根据权利要求9所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述输出缓冲器为由晶体管和电阻构成的射级跟随器；输出缓冲器直接与所述中频放大器的输出端相连，对所述中频放大器的晶体管的集电极一同进行电压偏置；所述输出缓冲器为根据具体指标需求进行设计成的基于BJT晶体管的射级跟随器或基于MOS晶体管的源级跟随器。
11.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述基级偏置电路为根据具体指标需求进行设计成的基于电阻分压的偏置结构、基于电流镜的偏置结构或基于电阻分压和电流镜的复合偏置结构。
12.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述单片集成谐波正交下混频器为二次谐波混频器、三次谐波混频器、四次谐波混频器或更高次谐波混频器中的一种。
13.根据权利要求1所述的基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器，其特征在于：所述单片集成谐波正交下混频器的实现形式是基于硅基、锗硅或三五族化合物半导体材料体系实现，其集成形式是集成电路形式或者混合集成形式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311609162.0A CN117498807A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311609162.0A CN117498807A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117498807A true CN117498807A (zh) | 2024-02-02 |
Family
ID=89672659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311609162.0A Pending CN117498807A (zh) | 2023-11-27 | 2023-11-27 | 一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117498807A (zh) |
-
2023
- 2023-11-27 CN CN202311609162.0A patent/CN117498807A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7880557B2 (en) | Hybrid marchand/back-wave balun and double balanced mixer using same | |
| US8498604B2 (en) | Double balanced mixer | |
| US10686474B1 (en) | Dual-mode frequency multiplier | |
| KR102557851B1 (ko) | 멀티-대역 밀리미터파 5g 통신을 위한 송신 및 수신 스위치 및 브로드밴드 전력 증폭기 매칭 네트워크 | |
| CN102571134B (zh) | 一种高频率选择性的射频前端集成电路结构 | |
| Chiou et al. | Lumped-element compensated high/low-pass balun design for MMIC double-balanced mixer | |
| CN107017847A (zh) | 减少损失的单端混频器 | |
| EP2548310B1 (en) | Distributed, diode mixer circuit | |
| CN111510108A (zh) | 一种宽带低噪声高功率容限的准环形器 | |
| US11108372B2 (en) | Compact balanced radio frequency balun facilitating easy integration | |
| WO2010010425A1 (en) | Heterodyne receiver | |
| CN112543002A (zh) | 宽带差分Doherty功率放大器及其设计方法和应用 | |
| EP1351385A2 (en) | Compact lumped element dual highpass/lowpass balun layout | |
| TW201947887A (zh) | 適用於毫米波第五代通訊的射頻前端電路 | |
| CN102308475A (zh) | 高频功率放大器 | |
| CN114268329B (zh) | 一种双频高线性度解调器 | |
| CN113746431B (zh) | 一种带镜像抑制功能的超宽带高线性度混频器 | |
| CN117498807A (zh) | 一种基于新型多功能混合结的单片集成谐波正交下混频器 | |
| Wang et al. | Single-and dual-band filtering power amplifiers | |
| Yishay et al. | A single-path reconfigurable frequency multiplier for 28/39 GHz dual-band transceivers | |
| CN112003571B (zh) | 一种抗干扰网络及其应用 | |
| Tan et al. | Tunable couplers: An overview of recently developed couplers with tunable functions | |
| CN111987994B (zh) | 一种高性能小型化单片集成的谐波混频器 | |
| CN112019192A (zh) | 一种基于变压器的高阶耦合正交信号产生电路及其应用 | |
| Lindberg et al. | A SiGe HBT 24 GHz sub-harmonic direct-conversion IQ-demodulator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |